Тъмната материя е съставена от черни дупки. Наистина ли?

Черните дупки са най-загадъчните обитатели на космоса. Колкото и да се стараем, никога не можем да разберем какво се случва отвъд хоризонта на събитията. Това е един плашещ мрак, от който нищо, дори фотоните светлина, не може да избяга. В продължение на много десетилетия тези космически чудовища се смятаха за хипотетични обекти, а доказателството за тяхното съществуване изглеждаше немислимо.

Същото може да се каже и за тъмната материя – хипотетична форма на материята, която не може да бъде наблюдавана и за която се смята, че съставлява около 85% от Вселената. Нейното съществуване, както и това на черните дупки, може да се обясни със силното гравитационно влияние, което тази субстанция оказва върху космическите обекти, като ги задържа заедно. Не е ли учудващо, че загадъчната природа както на тъмната материя, така и на черните дупки кара учените да смятат, че тези обитатели на Вселената са свързани и че тъмната материя може да бъде открита чрез наблюдение на тези космически чудовища?

Структурата на черните дупки

Като едни от най-загадъчните и екзотични обекти във Вселената, черните дупки се образуват от колапса на масивните звезди и имат толкова мощна гравитация, че дори светлината не може да се измъкне от техните граници. Основните елементи на структурата на черните дупки включват хоризонт на събитията, сингулярност и акреционен диск. Но всичко по реда си.

Хоризонтът на събитията е границата около черната дупка, отвъд която всичко – от материята до фотоните светлина – изчезва завинаги. Всъщност хоризонтът на събитията е своеобразна „точка, от която няма връщане“ – всичко, което го премине, става част от черната дупка и вече не може да взаимодейства с външния свят. Радиусът на хоризонта на събитията се нарича радиус на Шварцшилд и зависи от масата на черната дупка.

Що се отнася до центъра на черната дупка, там има сингулярност – точката, в която плътността на материята и кривината на пространство-времето стават безкрайни. Тук законите на физиката, както ги разбираме, престават да действат. Погълнатата от черната дупка материя се свива до безкрайно малки размери, създавайки огромна гравитационна сила.

Интересно е, че това, което прави черните дупки наблюдаеми, е акреционният диск, който се състои от газ и прах и обикаля около тях. Материалът в акреционния диск се нагрява до изключително високи температури вследствие на триенето и гравитационните сили, като излъчва в различни диапазони на електромагнитния спектър, включително рентгенови лъчи.

Струи, въртене и гравитация

Някои черни дупки, особено свръхмасивните черни дупки (тези в центровете на галактиките), могат да изхвърлят тесни струи материя, наречени джетове. Тези струи се изхвърлят по осите на въртене на черната дупка и могат да се простират на хиляди светлинни години. Струите се образуват от материал, който не е бил погълнат от черната дупка, а вместо това е ускорен от нейните магнитни полета.

Съществуват и въртящи се черни дупки или черните дупки на Кер, чийто хоризонт на събитията и структура се различават значително от невъртящите се аналози. Такива черни дупки създават ефекта на „влачене“ на пространство-времето около себе си.

Черните дупки оказват силно въздействие върху околното пространство-време. Те го огъват толкова много, че предизвикват ефекти, предсказани от общата теория на относителността на Айнщайн, като например гравитационната леща (огъване на светлината около черната дупка) и забавяне на времето в близост до хоризонта на събитията.

Въпреки че през 2019 г. черните дупки се превърнаха от хипотетични обекти в реално съществуващи, те все още са обект на интензивни изследвания, тъй като предоставят уникални възможности за проверка на знанията ни за гравитацията, квантовата механика и структурата на Вселената.

Същност на тъмната материя

Физиците говорят за тъмната материя отдавна и много, защото според наблюденията и наличните данни тя трябва да съществува. Освен това, за да се обяснят гравитационните аномалии в пространството, тъмната материя трябва да е около 5 пъти по-разпространена във Вселената от обикновената видима материя – така че в нашата галактика има 15 пъти повече тъмна материя от обикновената.

Проблемът обаче е, че тъмната материя по своята същност също е почти невъзможно да бъде открита, тъй като тя взаимодейства изключително слабо с обикновената материя, с изключение на гравитацията. Въпреки че природата на тъмната материя остава загадка, повечето изследователи смятат, че тази хипотетична субстанция е съставена от неизвестни елементарни частици.

За съжаление, въпреки десетилетията усилия, в нито един експеримент не са открити нови частици, които биха могли да бъдат отговорни за тъмната материя –

казва Пшемек Мроз от Астрономическата обсерватория на Варшавския университет в Полша.

Мроз е водещ автор на две статии, публикувани неотдавна в Nature и в приложения към Astrophysical Journal, в които се проверява дали може да се обясни тъмната материя с друг мистериозен клас обекти във Вселената – черните дупки.

Да припомним, че след откриването на сливанията на черни дупки през 2015 г. са открити около 100 случая. Тези черни дупки обикновено са 20-100 пъти по-тежки от нашето Слънце, докато черните дупки, открити преди това в Млечния път, обикновено са само 5-10 слънчеви маси.

„Обяснението защо тези две популации черни дупки са толкова различни е една от най-големите загадки на съвременната астрономия“,

се казва в статията.

Как може да бъде открита тъмната материя?

Опитвайки се да отговорят на тези и други въпроси, изследователите предполагат, че по-големите черни дупки, открити от експериментите LIGO и Virgo, са първични черни дупки, формирани в ранната Вселена. Тъй като детекторите на гравитационни вълни се използват за откриване на нови черни дупки, физиците предполагат, че тези първични черни дупки може да съставляват значителна част, ако не и цялата тъмна материя. Освен това, въпреки че черните дупки не излъчват светлина, тази теория може да бъде проверена.

Следствие от общата теория на относителността на Айнщайн е, че масивните обекти могат да огъват светлината около себе си. Този ефект се нарича гравитационна леща. Когато масивен обект, например черна дупка, се окаже между Земята и други обекти, например галактики, тези галактики увеличават размерите си и яркостта им се увеличава.

Обърнете внимание, че гравитационното линзиране на обекти с размерите на Слънцето трае няколко седмици. Но гравитационното линзиране на черни дупки с маси, по-големи от 100 слънчеви маси, би продължило няколко години.

Идеята, че гравитационното линзиране може да помогне при изучаването на тъмната материя, е предложена за първи път през 80-те години на миналия век от полския астрофизик Богдан Пачински. Експериментите показват, че черните дупки, по-малки от Слънцето, биха могли да съставляват по-малко от 10% от тъмната материя. Но тези ранни експерименти не са били чувствителни към линзирането в по-дълги периоди от време.

Пробойна в теорията

Сега астрономите от експеримента за оптично гравитационно линзиране (OGLE, Optical Gravitational Lensing Experiment) представиха нови резултати от 20-годишното наблюдение на 80 милиона звезди в близкия Голям Магеланов облак. Ако тъмната материя в Млечния път се състоеше само от черни дупки, изследователите щяха да очакват да видят 258 случая на микролинзиране. Вместо това резултатите показаха само 13.

„Това показва, че масивните черни дупки може да съдържат не повече от няколко процента тъмна материя. За да бъдем точни, черните дупки с маса 10 слънчеви маси могат да съдържат не повече от 1,2% тъмна материя. Черните дупки с маса 100 слънчеви маси представляват 3,0 процента от тъмната материя, а черните дупки с маса 1000 слънчеви маси – 11 процента от тъмната материя“,

обяснява Мроз.

Откритията показват, че първичните черни дупки не могат да съставляват съществена част от тъмната материя, като същевременно обясняват наблюдаваните скорости на сливане на черни дупки, измерени от LIGO и Virgo. Така или иначе, загадката какво съставлява по-голямата част от тъмната материя остава неразгадана.